Ein Naturphänomen

Gewitter kommen vor allem im Sommer sehr oft vor. Es muss dafür heiß und schwül sein, die Luft muss also eine hohe Feuchtigkeit haben. Dann heizt die Sonne nicht nur bei dir ein, sondern auch der Erdboden heizt so stark auf, dass Wasser verdunstet. Das bedeutet, dass eine große Menge Wasser aus dem Boden sich in gasförmiges Wasser verwandelt. Durch diese feuchtwarme Luft heizt sich die Luftschicht über dem Boden auf. Weil die warme Luft immer leichter ist als kalte Luft, steigt die warme Luft auf. Je höher sie dabei kommt, desto mehr kühlt sie wieder ab. Dadurch entsteht eine sogenannte Kumuluswolke: Durch die Abkühlung wird aus dem gasförmigen Wasser wieder flüssiges Wasser. Es regnet aber noch nicht. Die kleinen Wassertröpfchen sind noch so leicht, dass sie schweben können.

Gewitter
Wenn im Sommer ein Gewitter droht, türmen sich dunkle Wolken am Himmel auf

Blitze erzeugen Strom wie 250.000 Fernseher

Je nachdem, wie feucht die Luft ist und wie warm es ist, steigt das kondensierte Wasser noch weiter auf bis es so stark abkühlt, dass die Tröpfchen gefrieren. In einer Höhe von circa zwölf bis 18 Kilometern entsteht eine dachförmige Wolke, die aus winzigen Eiskristallen besteht. Die Wolke türmt sich auf. Dabei reiben die Wasserteilchen aneinander und laden sich elektrisch auf. Die Wolke ist nun oben kälter als unten. Die Eiskristalle sammeln sich deshalb im oberen Teil der Wolke als positive Ladung, und die Tropfen sammeln sich im unteren Teil als negative Ladung.

Zwischen positiv und negativ entsteht eine elektrische Spannung, die sich in Form von Blitzen entweder innerhalb der Wolke oder am Boden entlädt. Dabei fließt elektrischer Strom und der leuchtet, weil er mehrere tausend Grad heiß ist. Der Strom ist außerdem extrem stark, denn er  kann bis zu 100.000 Ampére erreichen. Das ist so stark wie der Strom von rund 250.000 Fernsehern.

Lichtgeschwindigkeit und höllische Hitze

Doch warum donnert es jetzt auch noch? Da die Luft um den Blitz etwa 30.000 Grad heiß ist, dehnt sie sich aus. Das löst eine Druckwelle aus, die sich mit einer Schallgeschwindigkeit von circa 343,2 Metern pro Sekunde fortbewegt. Diese gewaltige Kraft nehmen wir am Erdboden als Donnergeräusch wahr. Diese Schallgeschwindigkeit ist zwar sehr schnell, aber die Lichtgeschwindigkeit ist noch viel schneller. Der Donner kommt daher grundsätzlich immer erst nach dem Blitz – die Schallgeschwindigkeit hat keine Chance.

Du kannst ausrechnen wie weit ein Gewitter entfernt ist: Zähle die Sekunden zwischen Blitz und Donner, teile sie durch drei und heraus kommt die Kilometerzahl, die dir sagt, wie weit das Gewitter entfernt ist.

Gewitter
1, 2, 3 … du kannst zählen, wie weit das Gewitter entfernt ist

Aber Vorsicht!

Dieses Naturspektakel ist unglaublich spannend zu beobachten. Doch Blitze sind auch sehr gefährlich: Wenn ein Blitz einen Menschen trifft, kann das durch die elektrische Ladung nicht nur sehr schwer verletzen, sondern auch tödlich sein. Du musst vor Gewittern deshalb aber keine Panik haben. Du solltest nur wissen, wie und wo du bei einem Gewitter vor Blitzen geschützt bist.

Grundsätzlich gilt bei einem Gewitter: Blitze suchen sich immer den kürzesten und den am besten leitenden Weg zum Boden. Das heißt, du solltest dich beispielsweise von Bäumen und von leitenden Materialien fernhalten. Wenn du im Freibad bist und die Wolken werden ganz dunkel, dann solltest du das Freibad bald verlassen. Wasser leitet den Strom der Blitze. Wenn du dich in der Nähe eines offenen Gewässers befindest, ist das gefährlich. Auch solltest du dich von Gegenständen aus Metall fernhalten, denn das zieht Blitze an. Auch freie Felder können gefährlich sein.

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Ein Blitzableiter zieht den Blitz an und leitet die elektrische Ladung in den Boden; Bild: www.shutterstock.com / borzywoj

Das Auto als Blitzableiter

Am allersichersten bist du aber in Gebäuden. Damit der Blitz nicht einschlagen kann, haben die allermeisten Häuser heute einen Blitzableiter. Er zieht die Blitze zunächst an, um sie dann in den Boden abzuleiten. Deshalb ist er auf den Dächern der Häuser angebracht und hat eine Spitze aus einem Metalldraht. Dieses Metall muss so stark sein, dass es von einem Blitz nicht beschädigt werden kann. Über die sogenannte Fangleitung führt die elektrische Ladung in den Boden und trifft dort auf eine Erdleitung aus Platten und Kupfernetz.

Gewitter
Beim Auto verteilen sich die elektrischen Ladungen des Blitzes auf der Oberfläche des Metallkäfigs

Ähnlich kann auch ein Auto als Blitzableiter fungieren und ist bei Gewittern  deshalb sehr sicher.  Autos wie die der Daimler AG sind von Metall umrahmt, das den Blitz ableitet. Der englische Physiker Michael Faraday fand einmal heraus, dass sich elektrische Ladungen auf der Oberfläche des „Metallkäfigs“ verteilen, ohne in den Innenraum durchzudringen. Man nennt diese Metallumrahmung deshalb auch „Faradayschen Käfig“. Wenn man vom Blitz getroffen wird, fließt der Strom über diesen Käfig in die Erde ab. Trotz dieser Sicherheit sollte man sich bei einem Gewitter nur im stehenden Auto aufhalten, da die Gefahr besteht, dass die Reifen platzen.

Drei Milliarden Menschen  nutzen das Netz

Natürlich kann eine einzige Suchanfrage nicht Mengen an Energie verbrauchen. Wenn du zum Beispiel nach der Übersetzung einer Vokabel suchst, ist das zunächst kein riesiger Aufwand für das Rechenzentrum. Aber kannst du dir vorstellen, wie schnell sich der Bedarf an Strom summiert, wenn viele Suchanfragen gleichzeitig ankommen? Und das ist in der Tat der Fall: Mittlerweile nutzen drei Milliarden Menschen das Internet täglich. Das sind mehr als dreißig Mal so viele Menschen in ganz Deutschland.

Stromverbrauch Internet
Beim Surfen im Internet nutzt du dein Handy und riesige Rechenzentren

Energie von Berlin bis Vietnam

Um dir zu erklären, wie viel Strom genau verbraucht wird, fangen wir mit einer Suchanfrage an: Wenn du ihren Strombedarf mit der Zahl 1.000 multiplizierst, könnte ein Auto damit einen Kilometer fahren. Oder andersrum gesagt: 1.000 Suchanfragen benötigen die gleiche Energie, wie ein Auto für einen Kilometer. Bis hierhin verstanden?

Alle Suchmaschinen-Anfragen weltweit müssen pro Stunde also mit der Energie einer 2.000 Kilometer langen Autofahrt versorgt werden. Das ist ungefähr die Strecke von Berlin bis Vietnam. So müssten allein für das Internet 25 Atomkraftwerke laufen. Aber man nutzt heute natürlich auch viele andere Stromquellen, die umweltfreundlicher sind: zum Beispiel Heizkraftwerke. So wie der Autobauer Daimler, der für die Autoproduktion in Sindelfingen ein eigenes Heizkraftwerk gebaut hat.

Wellenreiten im Auto

Stromverbrauch Internet
Mit dem Comand-System hast du auch im Auto Zugang zum Internet

Doch nicht nur am Computer oder Smartphone kannst du das Internet nutzen. Dank Systemen wie „Comand“ von Daimler lässt sich auch im Auto surfen. Dafür nutzt es ein internetfähiges Handy und baut darüber eine Netzverbindung auf. So lässt sich zum Beispiel ein Video viel komfortabler während der Fahrt anschauen. Natürlich gilt dieser Service nicht dem Fahrer, der blickt stets nur auf die Straße. Noch spannender wird es allerdings, wenn nicht Menschen, sondern Fahrzeuge das Internet nutzen.

Genau das passiert beispielsweise beim Truck Platooning. Viele LKW fahren in einer Kolonne ganz eng hintereinander her. Somit können sie Energie sparen – in diesem Fall Benzin. Das ist aber nur möglich, wenn sie untereinander vernetzt sind, damit der LKW hinten weiß, wann der Laster vor ihm bremst. Die Vernetzung ist über das Internet möglich.

Du siehst: Das Internet und Vernetzung spielen in unserem Leben eine zunehmend größere Rolle. Gleichzeitig benötigen wir immer mehr Strom. Deshalb soll es künftig immer mehr Strom aus erneuerbaren Energien geben. Wie das funktioniert, kannst du hier nachlesen.

Kleiner Tipp: Einfach ab und zu mal das Handy oder den Computer ausschalten. Das spart Strom und macht den Kopf frei.

Beitragsbild: www.shutterstock.com / Ekaphon maneechot

Bilder: Daimler AG

Michael ist Verfahrensingenieur und ist Leiter des Kraftwerks. Er sorgt mit seiner rund 50-köpfigen Mannschaft dafür, dass der gesamte Produktionsbetrieb der Daimler AG in Sindelfingen mit Wärme und Strom versorgt wird – und das rund um die Uhr, 365 Tage im Jahr. „Erdgas ist umweltschonender und außerdem können wir hier direkt die Pipeline anzapfen, das ist logistisch einfacher für uns,“ erklärt Michael den jungen Reportern.

Aber wie genau funktioniert eigentlich die Erzeugung von Wärme und Strom im Daimler Kraftwerk?

Alles beginnt mit der Gasturbine. Du kannst sie dir wegen ihrer Schaufelräder wie ein Flugzeugtriebwerk vorstellen. Im Herzstück der Anlage geht es hier ganz schön heiß her: Der Brennstoff Erdgas, ein natürlich entstandenes Gasgemisch, wird unter hohem Druck verbrannt. Dabei entstehen bis zu 1.400 Grad heiße Verbrennungsgase. Sie bewegen die Schaufeln der Turbine und Bewegungsenergie entsteht. Diese wandelt ein angeschlossener Generator dann in elektrischen Strom um.

Nach der Stromerzeugung werden die heißen Abgase aber nicht einfach ungenutzt in die Atmosphäre abgelassen. Auch sie erweisen sich als nützlich, denn sie erzeugen in einem nachgeschalteten Abhitzekessel aus Wasser heißen Dampf. An diesem Punkt kommt eine Dampfturbine ins Spiel – der eben entstandene Dampf treibt sie an. Und auch diese Turbine ist an einen Generator gekoppelt, der Strom erzeugt. Zusätzlich wird jedoch auch Wärme erzeugt, denn in einem Wärmetauscher erhitzt der heiße Wasserdampf Wasser für das Fernwärmenetz.

So versorgt das Kraftwerk nicht nur die komplette Daimler Produktionsstätte vor Ort, sondern auch einige Bürger in Sindelfingen mit Wärme. Weil hier also gleichzeitig Kraft durch den Antrieb des Dampfes und Wärme durch seine Temperatur gewonnen werden, spricht man auch von der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK).

Michael zeigt den beiden Genius-Kinderreportern jeden einzelnen Schritt der Wärme- und Stromerzeugung und führt sie durch das ganze Kraftwerk.

Erdöltank
Für den Notfall: Fällt das Erdgas aus, gibt es Erdöl aus diesen Tanks
Wärmewarte
In der Wärmewarte wird das Kraftwerk rund um die Uhr kontrolliert

„Die Wärmewarte finde ich total spannend. Wie man da bei 35 Bildschirmen und so vielen Knöpfen und Tasten den Überblick behält, ist mir ein Rätsel“, bemerkt Nick.

Gasturbine
In der Gasturbine wird das Erdgas unter hohem Druck verbrannt
Gasflamme
Besonders spannend: Emma und Nick können direkt die Gasflamme beobachten

„Im Kraftwerk ist es so warm wie in einem Tropenhaus – je höher wir laufen, desto wärmer wird es“, berichtet Nick.

Gasleitung
Michael zeigt den beiden Kindern die großen Gasleitungen für das Erdgas
Luftreinigung
Hier wird die Luft gereinigt und gefiltert – das macht ganz schön Wind

„Die Luftreinigungsanlage gefällt mir am besten. Ich habe noch nie so einen starken Wind gespürt“, erzählt Emma begeistert.

Aussicht
Toller Ausblick in 46 Meter Höhe auf das Daimler-Werk und die Teststrecke

Zum Schluss des Besuchs wurde es noch mal richtig sportlich: Rund 250 Treppen ging es hinauf, 46 Meter in die Höhe zum höchsten Punkt des Kraftwerks. Emma und Nick genossen eine tolle Aussicht über das ganze Daimler Werk und konnten auch die Teststrecke von oben beobachten.

Und neben der ganzen Technik gab es sogar noch ein tierisches Abenteuer: An einem der drei Schornsteine des Kraftwerks hatte sich ein Falke sein Nest eingerichtet und brütet dort seine Eier aus. Gemeinsam mit dem Naturschutzbund hat Michael hier eine kleine Webcam installiert, so dass er – neben den Prozessen im Kraftwerk– auch immer wieder einen kleinen Blick auf die Falken werfen kann.

Manchmal liegen Technik und Natur doch ganz nah beieinander.

Büro
Michael hat die Falken auf seinem Computer genau im Blick
Büro
Michaels Büro im Kraftwerk: Ein spannender Tag geht zu Ende

Fotos: Inge Langwieser

YouTube

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Strom ist nicht gleich Strom

Es gibt zwei verschiedene Arten von elektrischem Strom, mit denen Elektromotoren betrieben werden können. Als Gleichstrom bezeichnet man Strom, der seine Richtung und Stärke nicht ändert. Er kommt in vielen Geräten zum Einsatz, die z. B. mit Batterien betrieben werden, also z. B. CD-Player, Modellautos oder Fensterheber in „richtigen“ Autos.

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GLEICH- UND WECHSELSTROM

Wechselstrom hingegen ändert seine Richtung periodisch. Eine besondere Art des Wechselstroms ist der Drehstrom. Er besteht aus drei einzelnen Wechselströmen, die in drei verschiedenen Phasen gleichmäßig versetzt voneinander wirken. Deshalb wird er oft auch als Dreiphasenwechselstrom bezeichnet. Ordnet man drei Spulen gleichmäßig verteilt im Kreis an und verbindet sie mit jeweils einer Phase dieses Dreiphasenwechselstroms, so ensteht ein drehendes Magnetfeld. Daher nennt man dieses Dreiphasenwechselstromsystem auch Drehstromsystem.

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MAGNETISCHE WIRKUNG DES ELEKTRISCHEN STROMS

Die Lorentzkraft

Grundlage dafür, dass ein Elektromotor eine Drehbewegung erzeugt, ist die so genannte Lorentzkraft. Sie bezeichnet die Kräfte, die verschiedene Magnetfelder aufeinander ausüben.

Nehmen wir zum Beispiel eine Leiterschleife, durch die Strom fließt und die dadurch von einem Magnetfeld umgeben ist. Die Leiterschleife befindet sich innerhalb eines Magneten, der ebenfalls ein Magnetfeld erzeugt. Diese beiden Magnetfelder wirken so aufeinander, dass dabei eine Kraft entsteht, die senkrecht zum Magnetfeld (vom Nord –zum Südpol) und zur Bewegungsrichtung des Stroms (vom Plus- zum Minuspol) verläuft – die Lorentzkraft.

Mit deiner rechten Hand kannst du die Richtung der Lorentzkraft ganz einfach ermitteln. Bei dieser so genannten Rechte-Hand-Regel zeigt dir der Daumen immer die Richtung an, in die der Strom fließt, der Zeigefinger die Richtung, in die das Magnetfeld verläuft und der Mittelfinger die Richtung, in die die Lorentzkraft wirkt. Teste es doch gleich mal anhand der nebenstehenden Grafik.

Die beiden Seiten der Leiterschleife stehen übereinander. Da auf der einen Seite der Leiterschleife der Strom in eine andere Richtung fließt als auf der anderen Seite der Leiterschleife, wirkt auch die Lorentzkraft jeweils in eine andere Richtung. Das ist der Grund, warum sich die Leiterschleife dreht. Erreicht sie jedoch eine waagerechte Position, wirken die Lorentzkräfte genau entgegengesetzt, sodass sich die Leiterschleife nicht weiterdrehen kann.

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EINFACHER ELEKTROMOTOR

Der Gleichstrom-Motor

Das gleiche Prinzip wie bei der Leiterschleife läuft in einem Gleichstrom-Motor ab. Auch hier gibt es einen feststehenden Magneten, den Stator, und einen sich drehenden Elektromagneten, den Rotor (auch Anker genannt), der sich innerhalb des Stators befindet. Über die Batterie wird dem Motor Gleichstrom zugeführt, wodurch die Lorentzkräfte wirken. Damit der Rotor weiterdreht und nicht wie die Leiterschlaufe in der waagerechten Position stoppt, gibt es im Elektromotor einen so genannten Kommutator. Er ist dafür zuständig, dass der Stromfluss durch den Elektromagneten im richtigen Moment umgekehrt wird und die Lorentzkräfte sich so neu ausrichten, dass sich der Rotor weiterdreht und nicht abgebremst wird. Mit dem Anker verbunden ist eine Antriebswelle, die die erzeugte mechanische Energie an die Autoräder weiterleitet.

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STATOR MIT DREI SPULEN

Der Drehfeld-Elektromotor

In einem Drehstrom- oder Drehfeld-Motor ist solch ein Kommutator nicht notwendig. Im feststehenden Teil des Motors, dem Stator, befinden sich drei Spulen, die in gleichmäßigen Abständen zueinander in einem Kreis angeordnet sind. Sie werden jeweils über einen elektrischen Leiter mit Drehstrom versorgt, das heißt mit Wechselstrom, der in drei verschiedenen Phasen seine elektrische Spannung entwickelt. Dadurch bildet sich um jede Spule zu unterschiedlichen Zeiten ein Magnetfeld. Alle drei Magnetfelder zusammen ergeben ein größeres summiertes Magnetfeld, das seine Richtung parallel zu den Phasen der drei wechselnden Leiterspannungen fortlaufend ändert und sich dadurch „dreht“. Daher wird es auch Drehfeld genannt. Verbindet man nun dieses rotierende Magnetfeld mit der Achse eines magnetischen Gegenstandes, rotiert dieser mit (Rotor).

Ein solcher Drehfeld-Elektromotor findet auch in den Elektroautos von Mercedes-Benz Verwendung.

Was ein Magnet ist, weißt du bestimmt. Das ist ein Körper, der andere Körper mit ähnlichen magnetischen Eigenschaften anzieht. Im Alltag werden Magneten meistens dazu benutzt, um Notizen oder Fotos, z. B. am Kühlschrank, zu befestigen.
Jeder Magnet hat, genau wie die Erde auch, zwei verschiedene Pole, einen Nord- und einen Südpol. Hier ist die magnetische Kraft am stärksten. Nähern sich zwei Magnete mit ihren gleichen Polen, stoßen sie sich ab. Zwei unterschiedliche Pole ziehen sich hingegen an.

Das Magnetfeld

Der Wirkungsbereich um einen Magneten nennt man „magnetisches Feld“. Auch die Erde besitzt so ein magnetisches Feld. Der Zeiger eines Kompasses zum Beispiel ist auch ein Magnet und richtet sich nach dem Magnetfeld der Erde, das von Norden nach Süden verläuft, aus. Daher kann er uns die Himmelsrichtungen anzeigen.

Die Struktur solch eines Magnetfeldes kann durch so genannte Feldlinien sichtbar gemacht werden. Sie veranschaulichen die Richtung des magnetischen Flusses. Je dichter die Feldlinien zueinander sind, desto stärker ist das magnetische Feld. Du kannst auch selbst ganz einfach ein Magnetfeld sichtbar machen: Nehme dazu einen Magneten, ein Blatt Papier und Eisenfeilspäne. Eisen ist ein magnetisches Metall. Frag am besten dein/e Physiklehrer/in um Hilfe. Streue die Eisenfeilspäne auf das Blatt Papier und halte den Magneten unter das Blatt. Jetzt sollten sich die Eisenfeilspäne entsprechend ausrichten und die Richtung des magnetischen Flusses sichtbar machen. Die Feldlinien treten in der Regel am Nordpol aus und verlaufen bogenförmig zum Südpol.

Elektromagnetismus 1

 

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Strom wirkt anziehend

Nicht nur Metalle wie Eisen, Nickel und Kobalt sind magnetisch. Magnetismus kann auch durch elektrischen Strom erzeugt werden. Das nennt man dann Elektromagnetismus. In der Umgebung eines von Strom durchflossenen Leiters bildet sich also auch ein Magnetfeld. Dieses Phänomen entdeckte der dänische Physiker Hans Christian Ørsted 1820. Sein Nachname (Abkürzung Oe) wurde daher auch zur Maßeinheit für die Stärke von Magnetfeldern. Umso höher die Stromstärke ist, desto stärker ist auch das Magnetfeld. Die magnetischen Feldlinien verlaufen kreisförmig um den elektrischen Leiter herum.

Elektromagnetismus 3

Der Elektromagnet ist eine besondere Form des Magneten. Er besteht aus einem Eisenkern und aus einer so genannten Spule. Das ist einfach betrachtet nichts weiter als aufgewickelter Draht, der Strom leiten kann. In der Spule bildet sich bei Stromfluss das magnetische Feld. Im Magnetfeld läd sich der Eisenkern magnetisch auf und kann dann andere magnetische Gegenstände anziehen. Dieses Phänomen spielt auch im Elektromotor eine Rolle.

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Elektromagnetismus in der Praxis

Elektromagneten finden aber auch in einigen anderen Gegenständen Verwendung. Nehmen wir zum Beispiel eine elektrische Klingel, die vielleicht auch in deiner Schule für das Pausenzeichen verantwortlich ist. Sie ist aus einem metallischen Hohlkörper zur Verstärkung des Klingelgeräusches, der Glocke, sowie aus einem Hammer zur Anregung der Schwingung aufgebaut. Dieser Hammer ist an einen Stromkreis angeschlossen, der wiederum mit einem Elektromagneten verbunden ist. Schließt man den Stromkreis, zum Beispiel durch Betätigung eines Schalters, bildet sich um den Elektromagneten ein Magnetfeld, sodass der Eisenkern im Innern magnetisch aufgeladen wird. Der Elektromagnet und der Hammer der Klingel ziehen sich gegenseitig an, wodurch der Hammer die Glocke berührt und diese zum schwingen bringt. In dem Moment, wenn der Hammer vom Elektromagneten angezogen wird, unterbricht auf der anderen Seite die Verbindung zum Stromkreis. Es fließt kein Strom mehr und das Magnetfeld des Elektromagneten löst sich wieder auf. Der Hammer wird nicht mehr angezogen und federt zurück. Dadurch wird der Stromkreis wieder geschlossen. Dieser Vorgang wiederholt sich, solange der Schalter geschlossen bleibt. Durch das hin- und her schwingen des Hammers in kurzen Abständen wird ein durchgehendes Klingeln erzeugt.

Elektromagnetismus 4